Filtro de Harmônicos Híbridos

1

Disciplina: Condicionadores de Energia- CEN

Professor: Marcello Mezaroba

Mestrandos: Everton Peres Correa

Marcus Vieira Soares

2016

Filtros de Harmônicos Híbridos

Composto por um filtro passivo sintonizado e um filtro ativo;

Apontados como solução plausível para compensação harmônica com

baixo custo e elevada eficiência;

O filtro ativo possui baixa potência nominal enquanto que o filtro passivo

processa a maior parcela de potência;

O filtro passivo cria um caminho de baixa impedância para componentes

harmônicas de corrente na qual encontra-se sintonizado;

Quando um filtro passivo paralelo opera com um filtro ativo paralelo visa-

se a compensação de harmônicos na corrente;

Quando o mesmo opera com um filtro ativo série visa-se a compensação

de harmônicos na tensão;

A metodologia de projeto de potência de filtro híbridos é similar às de

filtro passivos shunt e filtro ativos, porém procura-se um menor

processamento de potência pelos dispositivos chaveados;

3

Filtro Ativo Paralelo + Filtro Ativo Sintonizado

Características:

• Filtro Passivo compensa harmônicos de baixa frequência;

• Filtro Ativo compensa harmônicos de alta frequência;

• Potência do FAP é reduzida;

• Tensão do FAP é a mesma do PCC;

3

4

Equações para os projeto de Filtro passivos shunt

2

1

2222

12

1

22

1 IKILhIRIKRIKI

IKR hhshshs

hh

hh

h

QRL h

h

h

hh

Lh

QRC

22

h: ordem do harmônico

Rh: resistência série do filtro para o harmônico h

Kh: valor máximo permitido para o harmônico h (% de I1)

I1: valor eficaz da fundamental da corrente do alimentador

Ih: valor eficaz do harmônico h da corrente do alimentador

Rs, Ls: resistência e indutância série do alimentador

ω: frequência angular da tensão do alimentador

Resistência do

filtro sintonizado:

Indutância do

filtro sintonizado:

Capacitância do

filtro sintonizado:

Malha de Controle

Malha de controle do FAP (Similar a da operação singular)

5

Especificações dos Dispositivos

6

𝑃0 (potência da carga) 30,06 k𝑊

𝑓𝑠 (Frequência de comutação) 50 k𝐻𝑧

𝑉0 (Tensão do barramento CC) 800V

∆𝑉0(Ondulação de tensão máxima no barramento) 1%

∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%

fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz

𝑃𝐹𝐴 (Potência Nominal do Filtro Ativo) 3 kVA

𝑆𝑡𝑟𝑓 (Potência nominal do trafo) 45 𝑘𝑉𝐴

𝑍𝑡𝑟𝑓 (Impedância do trafo) 6%

𝑆𝑜 (Potência nominal das cargas) 45 𝑘𝑉𝐴

Carga resistiva 20% 𝑆𝑜

Carga RL 30% 𝑆𝑜

Retificador 3φ com filtro capacitivo e carga RC 30% 𝑆𝑜

Retificador 3φ controlado com carga L (α=60°) 20% 𝑆𝑜

Equações de Projeto FAP

7

2

/ 3746

2 .

oo

b b

PC F

f V V

8674

bMIN

L s

VL H

I f

16,333

2ns s

s s

f C FL C

64

ss s

ns s

RR

f L

Planta de Corrente:

_

( )( )

( )

fs bis PWM i s

fss

i s VG s K K

sLd s

1 1

k 2

SV rdVT

SI B B

K VG

V s C

Planta de Tensão de Barramento

1 1

k 2

SVVD

SI B

KG

s C

Planta de Tensão Diferencial

Capacitor do barramento(Co):

Indutor do Filtro de saída (Lf):

Capacitor do Filtro de Saída (Cf):

Resistor do Filtro de Saída (Rf):

Dimensionamento de componentes Modelos das plantas a serem

controladas

Diagramas de bode

Malha da tensão total de barramento Malha da tensão diferencial

Para a planta de corrente foi utilizado um ganho do tipo proporcional unitário.

-100

-50

0

50

100

150

Ga

nho

(d

B)

10-2

10-1

100

101

102

103

104

-180

-135

-90

-45

0

Fa

se

(d

eg

)

Bode Diagram

Frequência (Hz)

Gvt

Cvt

FTMAvt

-100

-50

0

50

100

150

Ga

nho

(d

B)

10-2

10-1

100

101

102

103

104

-180

-135

-90

-45

0

Fa

se

(d

eg

)

Bode Diagram

Frequência (Hz)

GV

CV

FTMAv

Simulação

Circuito do sistema a ser compensado

9

Simulação

Simulação

Malha de Controle Implementada no Circuito de Simulação

11

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

perc

entu

al [%

]

Harmônicas da corrente rede sem compensação

Irede

IEEE 519

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-200

-400

200

400

Iph_R V_Ph_R

Tensão e Corrente Não Compensado

Corrente e Tensão Compensado com o Filtro Sintonizado

13

THDi

2,06%

THDv

3,16%

0

-200

-400

200

400

V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R Iph_S Iph_T

0

-20

-40

20

40

I_Cap_R I_Cap_S I_Cap_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

IcargaR Iph_R I_Cap_R

Corrente

dos filtros

passivos

Tensão e Corrente Compensado com o FAP

14

0

-200

-400

200

400

V_Ph_R V_Ph_S V_Ph_T

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R Iph_S Iph_T

0-10-20-30

102030

I_Cap_R IconvR

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44Time (s)

0

-50

-100

50

100

Iph_R IcargaR IconvR+I_Cap_R

THDi

1,71%

THDv

2,37 %

Amplitude dos Harmônicos de Corrente e Tensão compensado FHP

16

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

per

cen

tual

[%

]Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação

VPAC

IEEE 519

Prodist

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

per

cen

tual

[%

]

Harmônicas da corrente rede com compensação

Irede

IEEE 519

Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)

16

Os filtros passivos shunt apresentam uma impedância alta na frequência

fundamental e uma impedância muito baixa para os harmônicos, evitando

que eles circulem pela impedância da rede;

No entanto, certo pontos fracos são apresentados:

• Seu funcionamento é altamente dependente da impedância da fonte,

que não é precisamente conhecida;

• Pode entrar em ressonância com a impedância da fonte e assim

ampliar a amplitude dos harmônicos;

A associação do filtro passivo shunt com o filtro ativo série reduz as

deficiências que uma ou outra estrutura operadas isoladamente possam

ter.

A impedância do filtro passivo deve ser menor que a impedância da fonte

na frequência de sintonia para permitir a atenuação requerida.

O filtro ativo funciona como uma alta impedância nas frequências de

sintonia do filtro passivo;

Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)

Topologia básica (esquema unifilar e circuito equivalente monofásico)

Filtros Híbridos (ativo série + passivo shunt)

• Para o projeto de controle do filtro ativo é necessário obter apenas

uma parcela de componentes das harmônicas, assim evitando de

corrigir a componente da fundamental.

• Utiliza-se, portanto, um filtro rejeita faixa de segunda ordem na

medição da corrente da carga

• Um fator K é determinado de modo a emular uma resistência para

as múltiplas frequências, permitindo que a impedância da fonte

seja maior em relação a impedância do filtro passivo shunt.

Variáveis de Projeto

19

Parâmetros Valores

Vs (Tensão do alimentador fase-neutro) 230 V

frd (Frequência da Rede) 50 Hz

Rs (Resistência série da rede) 70,56mΩ

Ls (Indutância série da rede) 673,54μH

∆𝑖𝐿 (Ondulação de corrente máxima) 5%

fres (Frequência de ressonância do filtro LC) 2150 Hz

So (Potência Total das Cargas) 45kVA

Porcentagem de So Cargas

20% Resistiva

30% Resistiva-indutiva

30% Retificador 3ϕ com filtro C e carga resistiva

20% Retificador controlado com carga fortemente

indutiva (α=60°)

8674

bMIN

L s

VL H

I f

16,333

2ns s

s s

f C FL C

64

ss s

ns s

RR

f L

Planta de tensão do transformador (com

relação unitária) por razão cíclica do FAS:

Indutor do Filtro de saída (Lf):

Capacitor do Filtro de Saída (Cf):

Resistor do Filtro de Saída (Rf):

Equações do projeto do FAS

11

)(2

sCRsCL

VsG

ff

ff

cc

Diagramas de bode

-150

-100

-50

0

50

100

Ga

nho (

dB

)

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

45

Fase (

deg)

Bode Diagram

Frequência (Hz)

GV

CV

FTMAv

Malha da tensão do transformador do FAS

Simulação – Circuito do Sistema

• 1ª simulação sem compensação e fonte de 5ª e 7ª harmônica;

• 2ª simulação desconsidera-se as fontes de 5ª e 7ª harmônica e aplica-se os

• dispositivos de compensação;

• 3ª simulação considera-se o circuito por completo;

Simulação – Sistema de Compensação

Simulação – Sistema sem Compensação

Tensão do PAC

apresenta

THD=6,55%

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

perc

entu

al [

%]

Harmônicas da tensão do PAC rede sem compensação

VPAC

IEEE 519

Prodist

0.8 0.81 0.82 0.830.8

4Time (s)

0

-200

-400

200

400

Va_pac Vb_pac Vc_pac

Simulação – Sistema sem Compensação

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

perc

entu

al [%

]

Harmônicas da corrente rede sem compensação

Irede

IEEE 519

Corrente do

PAC apresenta

THD=8,95%

Harmônicas acima

dos limites: 5ª,7ª,

11ª,13ª

0.8 0.81 0.82 0.83 0.84Time (s)

0

-

50

-

100

50

10

0

Ia_rede Ib_rede Ic_rede

Simulação – Sistema com Compensação

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

perc

entu

al [

%]

Harmônicas da tensão do PAC rede com compensação

VPAC

IEEE 519

Prodist

Componentes de

tensão nos limites

impostos pela

norma

THDv : 2,67%

Simulação – Sistema com Compensação

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 490

1

2

3

4

5

6

7

8

harmônicas

perc

entu

al [%

]

Harmônicas da corrente rede sem compensação

Irede

IEEE 519

THDi : 2,3%

Simulação – Sistema com Compensação com

adição de harmônicos na rede

Correção

significativa em

relação aos

harmônicos da

rede

THDv : 3%

Simulação – Sistema com Compensação com

adição de harmônicos na rede

Referências

[1] Akagi, H., "New trends in active filters for power conditioning," Industry

Applications, IEEE Transactions on , vol.32, no.6, pp.1312,1322, Nov/Dec 1996

[2] Fang Zheng Peng; Akagi, H.; Nabae, A., "A new approach to harmonic

compensation in power systems-a combined system of shunt passive and series

active filters," Industry Applications, IEEE Transactions on , vol.26, no.6,

pp.983,990, Nov/Dec 1990

[3] Hideaki Fujita and Hirohmi Akagi, “A Practical Approach to Harmonic

Compensation in Power Systems-Series Connection of Passive and Active Filters”

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 21, NO. 6,

NOVEMBER/DECEMBER 1991.

[4] BUSARELLO, TIAGO D. C. ; DA SILVA, NEWTON ; VENDRUSCULO, EDSON A. ;

POMILIO, JOSE ANTENOR . A control approach based on frequency response for

line harmonic current mitigation using hybrid active power filter, 2012. p. 237-243.

30

Referências

[5] Z. Chen,F. Blaabjerg and J.K, Perdesen, “a study of parallel operation of Active

and Passive Filters”, IEEE Trans. On Industry Applications, vol 2, pp.1021-1026,

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[6] M.H. Rashid, Power Electronics Handbook: Devices, Circuit and Applications,

Elsevier – Academic Press, 2nd Edition, New York, USA, 2006.

[7] Z. Chen, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, “Harmonic Resonance with a Hybrid

Compensation System in Power Systems with Dispersed Generation”, IEEE 35th

Annual Power Electronic Specialists Conference (PESC 04), vol.4 pp 3070-3079

2004.

[8] JANUÁRIO, Marconi e SCARPIM, William Leonard . Estudo de Utilização de

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Joaçaba, Unoesc & Ciência – ACET, 2013.

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[9] POMILIO, José Antenor. Eletrônica de Potência para Geração,

Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. Campinas: Unicamp, 2013.

[10] MORAIS, Ernande Eugenio Campelo. Estudo e Projeto de Filtros

Passivos para Atenuação de Harmônicos em Instalações Elétricas

Industriais. Fortaleza, Universidade Federal do Ceará, 2011.

[10] MORAIS, Ernande Eugenio Campelo. Estudo e Projeto de Filtros

Passivos para Atenuação de Harmônicos em Instalações Elétricas

Industriais. Fortaleza, Universidade Federal do Ceará, 2011.

[11] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema

Elétrico Nacional – PRODIST – Módulo 8. Revisão 6. S.l: ANEEL, 2015.

[12] PENG, Fang Zheng; AKAGI, Hiperofumi; NABAE, Akira. A New Approach

to Harmonic Compensation in Power Systems – A Combiner System of Shunt

Passive and Series Active Filters. In: IEEE Transactions

on Industry Applications, Vol 26, nº6, november/december, 1990.

Referências

[13] AKAGI, Hiperofumi. New Trends in Active Filters for Power onditioning.

In: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 32, nº6, november, 1996.

[14] BHATTACHARYA, Subhashish; DIVAN, Deepak; BANERJEE, B. Bem.

Control and Reduction of Terminal Voltage Total Harmonic Distortion (THD)

in a Hybrid Series Active and Parallel Passive Filter System.

Artigo IEEE 0-7803-1243-6/93. Madison: University of Wiscosin, 1995.

[15] BHATTACHARYA, Subhashish; DIVAN, Deepak. Design and

Implementation of a Hybrid Series Active Filter System. Artigo IEEE 0-7803-

2730-6/95. Madison: University of Wiscosin, 1993.

[16] TONG, Liqing; et al. A novel series-in series hybrid active power filter.

Artigo IEEE 978-1-4244-1874- 9/08. China: Zhejiang University, 2008.

[17] SWAIN, Sushree Diptimayee; RAY ,Pravat Kumar; MOHANTY, K.B.. Voltage

Compensation and Stability Analysis of Hybrid Series Active Filter for Harmonic

Components. 2013 Annual IEEE India Conference (INDICON). India, 2013.

Referências